Kara Deliklerin Hızlı Ziyafeti Bilim İnsanlarını Şok Etti

Yeni araştırmalar, süper kütleli kara deliklerin çevredeki malzemeleri önceden inanıldığından daha hızlı tükettiğini ortaya koyuyor. Yüksek çözünürlüklü simülasyonlardan elde edilen bu bilgi, kuasarların neden bu kadar hızlı parlayıp söndüğünü açıklayabilir.

Yeni bir kuzeybatı Üniversitesiliderliğindeki çalışma, astrofizikçilerin süper kütleli kara deliklerin yeme alışkanlıklarını anlama şeklini değiştiriyor.

Önceki araştırmacılar kara deliklerin yavaş yavaş yemek yediğini varsayarken, yeni simülasyonlar kara deliklerin yiyecekleri geleneksel anlayışın önerdiğinden çok daha hızlı tükettiğini gösteriyor.

Çalışma 20 Eylül’de yayınlandı. Astrofizik Dergisi.

Simülasyon Bilgileri

Yeni yüksek çözünürlüklü 3 boyutlu simülasyonlara göre, dönen kara delikler çevrelerindeki uzay-zamanı büküyor ve sonuçta onları çevreleyen ve besleyen şiddetli gaz girdabını (veya birikim diskini) parçalıyor. Bu, diskin iç ve dış alt disklere ayrılmasıyla sonuçlanır. Kara delikler önce iç halkayı yutar. Daha sonra, tamamı tüketilen iç halkanın geride bıraktığı boşluğu doldurmak için dış alt diskteki kalıntılar içeriye doğru dökülür ve yeme işlemi tekrarlanır.

Sonsuza dek tekrarlanan ye-doldur-ye sürecinin bir döngüsü yalnızca aylar sürüyor; bu, araştırmacıların daha önce önerdiği yüzlerce yılla karşılaştırıldığında şaşırtıcı derecede hızlı bir zaman çizelgesi.

Bu yeni bulgu, aniden parlayıp daha sonra hiçbir açıklama yapılmadan ortadan kaybolan kuasarlar da dahil olmak üzere, gece gökyüzündeki en parlak nesnelerden bazılarının dramatik davranışlarını açıklamaya yardımcı olabilir.

Bir simülasyondan alınan bu kare, süper kütleli bir kara deliğin birikim diskinin, bu görüntüde yanlış hizalanmış iki alt diske nasıl bölünebileceğini gösteriyor. Kredi bilgileri: Nick Kaaz/Kuzeybatı Üniversitesi

Çalışmayı yöneten Northwestern’den Nick Kaaz, “Klasik birikim diski teorisi, diskin yavaş yavaş evrildiğini öngörüyor” dedi. “Ancak kara deliklerin birikim disklerinden gaz yemesinden kaynaklanan bazı kuasarlar, aylardan yıllara kadar uzanan zaman dilimlerinde büyük ölçüde değişiyor gibi görünüyor. Bu değişiklik çok şiddetli. Görünüşe göre ışığın çoğunun geldiği diskin iç kısmı yok ediliyor ve sonra yeniden dolduruluyor. Klasik birikim diski teorisi bu ciddi değişimi açıklayamaz. Ancak simülasyonlarımızda gördüğümüz olgular bunu potansiyel olarak açıklayabilir. Hızlı parlaklaşma ve kararma, diskin iç bölgelerinin tahrip olmasıyla tutarlıdır.”

Kaaz, Northwestern Weinberg Sanat ve Bilim Koleji’nde astronomi alanında yüksek lisans öğrencisi ve Astrofizikte Disiplinlerarası Araştırma ve Araştırma Merkezi’nin (CIERA) üyesidir. Kaaz’a Weinberg’de fizik ve astronomi doçenti ve CIERA üyesi olan makalenin ortak yazarı Alexander Tchekhovskoy danışmanlık yapıyor.

Yanlış Varsayımlar

Kara delikleri çevreleyen birikim diskleri fiziksel olarak karmaşık nesnelerdir ve bu da onları modellemeyi inanılmaz derecede zorlaştırır. Geleneksel teori, bu disklerin neden bu kadar parlak parladığını ve sonra aniden karardığını, bazen de tamamen yok olma noktasına geldiğini açıklamakta zorlandı.

Önceki araştırmacılar, yanlışlıkla birikim disklerinin nispeten düzenli olduğunu varsaymışlardı. Bu modellerde gaz ve parçacıklar Kara delik — kara delikle aynı düzlemde ve kara deliğin dönüşüyle ​​aynı yönde. Daha sonra, yüzlerce ila yüzbinlerce yıllık bir zaman ölçeğinde, gaz parçacıkları kara deliği beslemek için yavaş yavaş spiral çizerek kara deliğe doğru ilerliyor.

“Gazı beslemek için kara deliğe nasıl ulaştığı, birikim diski fiziğinin temel sorusudur. Bunun nasıl olduğunu bilirseniz, size diskin ne kadar dayanacağını, ne kadar parlak olduğunu ve onu teleskoplarla gözlemlediğimizde ışığın nasıl görünmesi gerektiğini söyleyecektir.”
— Nick Kaaz, başyazar

Kaaz, “Onlarca yıldır insanlar, birikim disklerinin kara deliğin dönüşüyle ​​​​aynı hizada olduğuna dair çok büyük bir varsayımda bulundular” dedi. “Fakat bu kara delikleri besleyen gaz, kara deliğin hangi yöne döndüğünü bilmeyebilir; o halde neden otomatik olarak hizalansınlar ki? Hizalamayı değiştirmek resmi büyük ölçüde değiştirir.”

Bugüne kadarki birikim disklerinin en yüksek çözünürlüklü simülasyonlarından biri olan araştırmacıların simülasyonu, kara deliği çevreleyen bölgelerin önceden düşünülenden çok daha karmaşık ve daha çalkantılı yerler olduğunu gösteriyor.

Daha Çok Jiroskop Gibi, Daha Az Plaka Gibi

Araştırmacılar, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nda bulunan dünyanın en büyük süper bilgisayarlarından biri olan Summit’i kullanarak ince, eğimli bir birikim diskinin 3 boyutlu genel göreli manyetohidrodinamik (GRMHD) simülasyonunu gerçekleştirdiler. Önceki simülasyonlar, gerçekçi bir kara delik oluşturmak için gereken tüm fiziği içerecek kadar güçlü olmasa da, Northwestern liderliğindeki model, daha eksiksiz bir resim oluşturmak için gaz dinamiklerini, manyetik alanları ve genel göreliliği içeriyor.

Kaaz, “Kara delikler, etraflarındaki uzay-zamanı etkileyen aşırı genel göreli nesnelerdir” dedi. “Dolayısıyla, döndüklerinde etraflarındaki alanı dev bir atlıkarınca gibi sürüklüyorlar ve onu da dönmeye zorluyorlar; buna ‘çerçeve sürükleme’ adı verilen bir olay. Bu, kara deliğin yakınında gerçekten güçlü bir etki yaratıyor ve uzaklaştıkça giderek zayıflıyor.”

Çerçeve sürükleme, jiroskopun hareketine benzer şekilde tüm diskin daireler halinde sallanmasına neden olur. Ancak iç disk, dış kısımlara göre çok daha hızlı yalpalamak ister. Kuvvetlerin bu uyumsuzluğu tüm diskin bükülmesine ve diskin farklı kısımlarından gelen gazların çarpışmasına neden olur. Çarpışmalar, materyali şiddetli bir şekilde kara deliğe daha da yaklaştıran parlak şoklar yaratıyor.

Bükülme şiddetli hale geldikçe, birikim diskinin en içteki bölgesi, diskin geri kalanından ayrılana kadar giderek daha hızlı yalpalamaya devam eder. Daha sonra yeni simülasyonlara göre alt diskler birbirinden bağımsız olarak gelişmeye başlıyor. Kara deliği çevreleyen düz bir plaka gibi düzgün bir şekilde birlikte hareket etmek yerine, alt diskler jiroskoptaki tekerlekler gibi bağımsız olarak farklı hızlarda ve açılarda yalpalıyor.

Kaaz, “İç disk koptuğunda bağımsız olarak ilerleyecektir” dedi. “Daha hızlı hareket ediyor çünkü kara deliğe daha yakın ve küçük olduğundan hareket etmesi daha kolay.”

‘Kara Deliğin Kazandığı Yer’

Yeni simülasyona göre, iç ve dış alt disklerin birbirinden ayrıldığı yırtılma bölgesi, beslenme çılgınlığının gerçekten başladığı yer. Sürtünme diski bir arada tutmaya çalışırken, dönen kara deliğin uzay-zamanı bükmesi diski parçalamak istiyor.

Kaaz, “Kara deliğin dönüşü ile diskin içindeki sürtünme ve basınç arasında bir rekabet var” dedi. “Yırtılma bölgesi kara deliğin kazandığı yerdir. İç ve dış diskler birbiriyle çarpışır. Dış disk, iç diskin katmanlarını tıraş ederek onu içeriye doğru itiyor.”

Artık alt diskler farklı açılarda kesişiyor. Dış disk, malzemeyi iç diskin üzerine döker. Bu ekstra kütle aynı zamanda iç diski de yutulacağı kara deliğe doğru iter. Daha sonra kara deliğin kendi yerçekimi, gazı yeniden doldurmak için dış bölgeden artık boş olan iç bölgeye doğru çeker.

Kuasar Bağlantısı

Kaaz, bu hızlı ye-doldur-ye döngülerinin potansiyel olarak sözde “görünüş değiştiren” kuasarları açıkladığını söyledi. Kuasarlar, tüm evrenden 1000 kat daha fazla enerji yayan son derece parlak nesnelerdir. Samanyolu200 milyar ila 400 milyar yıldız. Değişen görünüşlü kuasarlar ise daha da ekstremdir. Tipik bir kuasar için çok küçük bir süre olan aylar boyunca açılıp kapanıyor gibi görünüyorlar.

Her ne kadar klasik teori, birikim disklerinin ne kadar hızlı evrimleştiğine ve parlaklığı değiştirdiğine dair varsayımlar öne sürmüş olsa da, değişen görünüşlü kuasarların gözlemleri onların aslında çok daha hızlı evrimleştiğini gösteriyor.

Kaaz, “Parlaklığın çoğunun geldiği bir birikim diskinin iç bölgesi, aylar içinde çok hızlı bir şekilde tamamen kaybolabilir” dedi. “Temel olarak tamamen ortadan kalktığını görüyoruz. Sistem parlak olmayı bırakır. Daha sonra tekrar parlar ve süreç tekrarlanır. Geleneksel teorinin ilk etapta neden ortadan kaybolduğunu açıklayacak bir yolu yok ve nasıl bu kadar çabuk yeniden dolduğunu da açıklayamıyor.”

Yeni simülasyonlar potansiyel olarak kuasarları açıklamakla kalmıyor, aynı zamanda kara deliklerin gizemli doğası hakkında süregelen sorulara da cevap verebiliyor.

Kaaz, “Gazı beslemek için kara deliğe nasıl ulaştığı, birikim diski fiziğinin temel sorusudur” dedi. “Bunun nasıl olduğunu biliyorsanız, bu size diskin ne kadar dayandığını, ne kadar parlak olduğunu ve onu teleskoplarla gözlemlediğimizde ışığın nasıl görünmesi gerektiğini söyleyecektir.”

Referans: Nicholas Kaaz, Matthew TP Liska, Jonatan Jacquemin-Ide, Zachary L. Andalman, Gibwa Musoke, Alexander Tchekhovskoy ve Oliver Porth, 20 tarafından “Nozül şokları, disk yırtılması ve şeritler, çarpık ince disklerin 3D GRMHD simülasyonlarında hızlı birikime neden oluyor” Eylül 2023, Astrofizik Dergisi.
DOI: 10.3847/1538-4357/ace051

Çalışma ABD Enerji Bakanlığı ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklendi.